6.5. Асинхронный вентильный каскад и двигатель двойного питания

6.5.1. Асинхронный вентильный каскад

Регулирование скорости асинхронного двигателя в схемах вентильного каскада и двигателя двойного питания производится путем изменения скольжения двигателя при постоянной скорости вращения электромагнитного поля. Статорные обмотки двигателя непосредственно подключаются к питающей сети. Основная идея этих схем – полезное использование мощности скольжения, трансформируемой в цепь ротора. С этой целью в цепь ротора асинхронного фазного двигателя вводится добавочная э.д.с.

Трудность полезного использования энергии скольжения состоит в том, что э.д.с. ротора Е₂ и соответственно ток ротора I₂ имеют переменную частоту, зависящую от скольжения (скорости) двигателя (см. раздел 3.2). В схемах вентильного каскада (рис.6.15) ток ротора асинхронного двигателя с фазным ротором выпрямляется посредством неуправляемого выпрямителя UD1, и в цепь выпрямленного тока ротора вводят добавочную противоэ.д.с. постоянного тока – э.д.с. инвертора US2. Трансформатор Т служит для согласования напряжения сети и напряжения ротора двигателя.

Таким образом, энергия скольжения, индуктируемая в обмотках ротора, преобразуется в энергию постоянного тока и инвертируется (отдается) в питающую сеть. Благодаря такому последовательному преобразованию энергии эти системы получили название каскадов. Энергетическая диаграмма, характеризующая преобразование энергии в каскадной схеме, показана на рис.6.16.

Мощность Р₁, забираемая по цепи статора двигателя из сети, за вычетом потерь в статоре ∆Р₁, преобразуется в мощность вращающегося магнитного поля – электромагнитную мощность Р_эм. Последняя разделяется на две части: механическую Р_мех, реализуемую на валу асинхронного двигателя, и электрическую, трансформируемую в обмотки ротора двигателя – мощность скольжения Р_s. Мощность скольжения, за вычетом потерь ∆Р₂ в роторе двигателя, выпрямителе, инверторе и трансформаторе инвертора, возвращается в питающую сеть – Р_рек. Таким образом, результирующая, потребляемая приводом из сети мощность Р_потр будет равна разности Р₁-Р_рек. Это определяет высокий кпд вентильного каскада.

Мощность скольжения после выпрямления тока ротора будет

, (6.16)

где: s – скольжение;

Е_рн – номинальная (при s=1) линейная э.д.с. ротора;

I_dp – выпрямленный ток ротора;

к_сх=1,35 – коэффициент мостовой схемы выпрямления;

∆U_γ – падение напряжения, обусловленное коммутацией вентилей выпрямителя;

. (6.17)

Здесь - индуктивное сопротивление рассеяния фазы асинхронного двигателя, приведенное к обмотке ротора.

Подставляя (6.17) в (6.16), получим

.

Момент асинхронного двигателя равен

. (6.18)

В первом приближении (при М≤М_н) можно считать, что момент пропорционален выпрямленному току ротора I_d. При больших значениях момента эта пропорциональность нарушается.

Величина выпрямленного тока ротора определяется разностью выпрямленной э.д.с. ротора Е_dp, э.д.с. инвертора E_di и сопротивлением цепи R_экв (см. рис.6.17).

, (6.19)

, (6.20)

где: U_2Т – линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора;

β – угол управления вентилей инвертора ;

.

Здесь r₂, r_d и r_2T – активное сопротивление соответственно: обмотки ротора; сглаживающего дросселя и вторичной обмотки трансформатора;

и - эквивалентные сопротивления, вызванные коммутацией вентилей выпрямителя и инвертора;

х_Т – сопротивление фазы трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке.

Регулируя величину угла управления вентилей инвертора β, можно регулировать величину тока ротора I_dp и, следовательно, момента асинхронного двигателя.

Если , то ток ротора и момент будут равны нулю. Скольжение s₀, соответствующее этому условию, будет скольжением холостого хода двигателя в схеме вентильного каскада

. (6.21)

Таким образом, изменяя угол управления β, можно регулировать скорость холостого хода двигателя.

Максимальная величина скольжения холостого хода определяется максимальным значением противоэ.д.с. инвертора, которая будет при .

. (6.22)

Преобразовав уравнение (6.20) с учетом (6.21), получим:

. (6.23)

Решая совместно уравнения (6.18) и (6.23), получим выражение для механических характеристик вентильного каскада

(6.24)

или, обозначая и, получим:

. (6.25)

Здесь .

Механические характеристики вентильного каскада приведены на рис.6.18.

Механические характеристики имеют сравнительно высокую жесткость (примерно в 2 раза меньше, чем у естественной механической характеристики асинхронного двигателя) и перемещаются параллельно друг другу вдоль оси ординат по мере увеличения противоэ.д.с. инвертора E_di (по мере уменьшения угла управления β). Уравнения (6.24) и (6.25) позволяют рассчитать механические характеристики при значениях момента до 0,72М_к. Вследствие того, что ток ротора несинусоидален, критический момент двигателя в схеме каскада не достигается и максимальный момент составляет М_макс=0,83М_к, т.е. перегрузочная способность асинхронного двигателя в схеме каскада снижается на 17%.

Принцип регулирования скорости в рассматриваемой схеме следующий. Если установить угол управления β=90⁰, то противоэ.д.с. инвертора E_di будет равна нулю. Этому условию соответствует верхняя механическая характеристика. Если при наличии статического момента М_с на валу двигателя уменьшить угол β (например установить β=60⁰), то увеличится противоэ.д.с. инвертора E_di и она станет больше, чем выпрямленная э.д.с. ротора E_dp. Тогда ток ротора I_dp уменьшится до нуля (в обратную сторону ток пойти не может из-за односторонней проводимости выпрямителя). Момент двигателя станет равным нулю, и под действием статического момента скорость двигателя будет уменьшаться и, следовательно, возрастать скольжение. По мере роста скольжения увеличивается э.д.с. ротора. Когда скольжение станет больше s₀₂ (для рассматриваемого примера), по цепи ротора пойдет ток, и двигатель перейдет на работу на механической характеристике, соответствующей s₀₂. Скорость двигателя будет определяться точкой пересечения линии статического момента с данной механической характеристикой. Для дальнейшего снижения скорости нужно еще более увеличить противоэ.д.с. инвертора, т.е. уменьшить угол β.

Для увеличения скорости уменьшают противоэ.д.с. инвертора E_di, ток ротора возрастает, момент увеличивается, и двигатель разгоняется. По мере увеличения скорости уменьшаются выпрямленная э.д.с. ротора, ток и момент двигателя. Разгон двигателя будет происходить до тех пор, пока момент двигателя не уменьшится до значения, соответствующего статическому моменту.

Глубина возможного регулирования скорости определяется относительным значением напряжения трансформатора U_2Т, от величины которого зависит максимальное скольжение s_0макс (см. формулу 6.22). Это обстоятельство определяет целесообразность применения вентильных каскадов для привода механизмов с вентиляторным характером нагрузки (насосов, вентиляторов и др.), для которых не требуется, как правило, снижение скорости ниже 50% от номинальной. Тогда трансформатор и инвертор могут иметь мощность в 2 раза меньше, чем мощность асинхронного двигателя, что уменьшает стоимость электропривода.

Ориентировочно требуемая мощность трансформатора инвертора определяется соотношением

,

т.е. составляет часть мощности двигателя, пропорциональную максимальному скольжению.

В случае регулирования в схеме каскада в неполном диапазоне скорости возникает задача пуска двигателя до нижней рабочей скорости в схеме каскада. Обычно в этом случае используется схема реостатного пуска.

Одна из возможных схем показана на рис.6.19. В этой схеме двигатель разгоняется при включенном контакторе КМ1 и отключенном КМ2 по схеме реостатного пуска. По достижении определенной скорости выше, чем ω₀(1-s_0макс), включается контактор КМ2 и затем отключается КМ1, и двигатель переходит на работу в схеме вентильного каскада.